激光毛化技术和设备技术方案进展的介绍

---------- 应用解决方案激光毛化工艺的应用激光毛化技术和设备技术方案进展介绍一陈培锋华中科技大学2007-1-26激光毛化工艺的应用具有特殊表面形貌的毛化冷轧薄钢板在制造业中有着广泛的应用，特别是在汽车和家电产业中。

这是因为在冲压成形过程中，毛化钢板上的致密微小凹坑可储存润滑剂，改善润滑条件；同时毛化表面使涂料和钢板表面的接触面积增大，增强了对油漆的吸附能力。

对于冷轧辊毛化的要求最初是为了改善冷轧薄钢板的板型、深冲性、延伸率和涂镀性能，在冷轧薄板生产工艺中，要求对冷轧工作辊的辊面进行毛化处理，然后轧制出满足用户特殊工艺要求的冷轧毛化钢板。

目前用以满足轧辊毛化处理的技术有：喷丸毛化(SB)技术、电火花毛化(EDT)技术、激光毛化技术(LT)等。

在这些毛化技术中，激光毛化技术具有最好的效果。

经过长期的生产实践证明，激光毛化除了提供所需的板形表面要求外，其对冷轧辊寿命的提高、冷轧生产工艺的提高、冷轧成品表面鲜映度和性能等方面均产生其他毛化方法无法替代的积极影响。

下面根据生产实际的结果综述激光毛化的应用。

1、激光毛化工艺可显著提高轧辊使用寿命激光毛化轧辊使用寿命的提高主要是通过以下三个途径实现的。

(1)表面改性与细晶强化作用激光毛化时，辊面作用区材料由于熔凝速度非常快(加热速度可达l06～109℃/s，冷却速度≥105℃/s，远高于常规淬火)，可以形成超细晶(深亚微米至纳米级)甚至非晶组织，其硬度可超过HV900（HRC67)，远高于常规淬火所能达到的程度，高硬度的表面组织有利于提高辊面的耐磨损能力。

(2)毛化形貌的耐磨作用激光毛化后，辊面形貌发生变化，毛化加工形成的微坑和凸包均布于辊面。

这种辊面形貌既有利于改善轧制时辊与板间的摩擦状态，又有利于保持良好的润滑条件。

均匀分布的微坑还可以起到收集磨粒、防止它们磨损轧辊和擦伤板面的作用。

(3)表面应力松驰的韧化作用为了提高其使用寿命，通常要对冷轧工作辊进行表面淬火处理。

要求的硬度愈高，由马氏体相变导致的体积膨胀效果愈严重，产生的残余压应力也愈大。

压应力过大，容易导致辊面爆裂，反而危害轧辊的使用，因而是有害的。

用激光方法毛化这种轧辊，其表层激光辐照区域的材料由于熔凝时的热胀冷缩作用会产生残余拉应力。

X光应力测定结果表明，当激光辐照区域(微坑)的密度达到一定程度时，这种均匀分布的拉应力确实可以有效地松弛轧辊表层中原有的强残余压应力，从而使轧辊表面得到韧化。

激光毛化轧辊的使用寿命随冷轧压下率、冷带材质及其硬度的不同而有所不同。

工业应用表明，冷轧工作辊经激光毛化加工后，其使用效果和使用寿命有明显的提高。

在2O辊森吉米尔轧机上用其冷轧低碳钢板，激光毛化轧辊的寿命比普通轧辊高3倍以上；在普通二辊轧机上用激光毛化轧辊冷轧高强度(σb≥800 MPa)65Mn弹簧钢，其寿命是普通轧辊的2～3倍；用其平整退火低碳软钢板，其使用寿命可较普通轧辊提高2倍以上，有的甚至达到10倍，这取决于对产品表面粗糙度的控制范围。

激光毛化辊所轧制钢带表面粗糙度Ra的变化情况为，轧制初期（约为轧制量的15%），表面粗糙度下降较快，以后趋缓，这主要与激光毛化辊表面形貌有关。

在激光毛化辊初用阶段，凸起部分的尖峰钝化得较快，在使用一段时间以后，凸起部分比较钝，相应激光毛化辊的磨损量减小。

而凸起部分尖峰高度以及凸坑形状等都可以通过改变毛化工艺加以控制，因而在使用激光毛化辊时，不会因粗糙度值变化过大而使轧制条件发生较大改变。

2、激光毛化工艺可以在多个方面改善冷轧生产工艺毛化辊的应用最初是在平整机上，用于获得所需的板面形貌。

随着激光毛化技术的提高，轧辊的耐磨性及轧辊的毛化工效都得到了提高，使轧机工作辊毛化成为了可能。

通过在轧机工作辊上采用毛化技术发现，由于毛化辊增加了轧辊与轧件间的摩擦，有利于防止“打滑”，从而使轧件能均匀变形，获得力学性能一致的产品，并使轧件表面获得一定的粗糙度，对冷轧生产带来了积极的作用。

激光毛化轧机工作辊主要通过以下几个方面改善冷轧工艺。

(1)避免轧制时“粘钢”“粘钢”现象常出现在大压下、高轧速的情况下，特别是生产薄带时，轧件与轧辊的相对滑动，产生局部高温，在轧件表面形成不规则的剥落，影响产品质量。

根据轧辊与轧件接触表面摩擦的特征，可分为干摩擦、半干摩擦、吸附润滑摩擦、液体摩擦四种状态。

产生粘钢的原因是因为在压力加工过程中，在辊与钢带接触表面内没有任何润滑介质薄膜存在，而处于直接接触状态产生干摩擦。

因此消除粘钢就是要使轧辊与钢带接触表面上在高速、高压状态下能够有均匀而良好的润滑层，也就是在带钢表面上形成均匀致密的一层油膜。

在较高速轧制过程中，高压下的金属质点要得到强迫延伸，光辊轧制使其将油膜拉开，很难在轧辊与钢带接触面上形成一层油膜，激光毛化辊由于在表面上存在均匀致密的凹坑，这些凹坑起了“储油器”的作用，它们将轧制油连续带入变形区，而不会象光辊轧制那样把轧制油挤走。

激光毛辊辊面密封式的凹坑在轧制中能有效地将润滑油带入轧制变形区，起着储油和冷却的作用，能明显改善冷轧的润滑及冷却条件，有利于材料的流动。

轧辊与钢带之间始终保持着良好的润滑环境和冷却条件，轧辊与钢带之间形成一层油膜，油膜中的反作用力还能促使它们在离开变形区后迅速分离，避免了粘辊，使得钢带表面质量得到明显改善。

(2)提高轧制速度和压下率由于激光毛化辊改善了润滑条件，避免了“粘钢”现象，因而可实现高速和大压下轧制。

在精密带钢生产实践中，使用激光毛化辊可提高轧制速度45%左右。

同时，道次压下量也得到提高，加上轧辊使用寿命的提高，使生产效率得以提高。

(3)减轻轧制“横纹”“横纹”是轧制不稳定时，轧辊和轧件产生滑动，在轧件表面产生的振动纹痕，当轧速较高、压下量较大、张力较大时更易出现。

而使用激光毛化辊能显著减轻轧制“横纹”，改善表面质量。

分析认为：激光毛化轧辊凸包可以增加轧辊与钢带之间的摩擦，使钢带与工作辊之间接触面发生了变化，从而改善了钢带与工作辊之间的接触条件，减少了轧辊与所轧钢带之间的相对滑动。

由于激光毛化辊使轧制平稳，减少了因轧制振动引起的钢带表面的横纹缺陷。

(4)消除退火产生的“粘连”在生产薄带(≤0.5mm)时,由于卷取张力过大或板型较差，极易在退火时因局部温度过高而使钢带产生“粘连”，轻则影响产品质量，严重的会造成报废。

为消除这一缺陷，许多厂家在退火前增加了一道重卷工序，无形中增加了生产成本。

而在退火前最后道次利用激光毛化辊轧制，改善钢带层与层之间的接触状态，可有效地消除退火产生的“粘连”，这在连轧机组上使用尤为方便。

(5)改善轧件表面质量冷轧带钢的表面质量要求是：表面应光洁，不允许有裂纹、分层、折叠、疤痕、锈蚀、划痕、氧化皮、麻点、起皮、毛刺等影响使用的缺陷存在。

当用激光毛化辊轧制带有表面缺陷的钢带时，毛辊与钢带表面相接触，使得辊面上的凸包在钢带表面上形成微坑，即形成毛面，这些微坑将钢带表面缺陷分割、细化、切断、摊开。

随着轧制的不断进行，此过程不断演变，钢带表面缺陷则不断地变小、变浅、变少，直到最后被部分或完全消除。

另外，激光毛辊表面的凹坑还能收集轧制过程中形成的金属颗粒，减少钢带表面划伤，改善表面质量。

实践表明，激光毛化轧辊能有效减少轧制过程中钢带表面的划伤，提高产品质量，并可以消除半成品钢带表面一般性划伤、压入等表面缺陷，为挽救废品，提高成材率提供了一个新方法。

(6)在普通冷带轧机上实现异步轧制异步轧制的特点是中性点处于上、下辊的不同位置，在大小不等的中性角之间造成摩擦力的反向，其所对应的变形区就是轧辊对金属的“搓轧区。

在搓轧区中，两轧辊对带钢的剪切应力使摩擦力由变形阻力转化为促进带钢变形的动力。

这种剪切变形条件是常规同步轧制所没有的，它可使轧制力较大幅度降低，也就是说，对同样的轧机和轧材而言，异步轧制可获得更大的压下量和更好的产品精度。

实验表明，在表面比较粗糙的轧辊上进行轧制时，润滑剂的种类对摩擦因数没有太大影响，而起决定作用的是轧辊表面的粗糙度和压缩量。

在压缩量一定的情况下，摩擦因数的改变则取决于弹性和塑性接触时的表面粗糙度。

利用激光毛化方法实现并精确控制辊面粗糙度是能够利用激光辊实现异步轧制的基本条件。

由于激光毛化辊微坑具有的连续润滑和对碎屑的搜集作用，使板带表面划伤减少。

同时利用的激光毛化辊辊径和转速相同，只是表面粗糙度不同，避免了由于不同辊径或转速所造成的轧机振动，消除了钢带表面横纹。

实验中，道次压下率达到50%，可提高轧程中总变形量，减少道次数，有效提高生产效率，同时板型也得到改善。

3、激光毛化准确控制表面形貌提高产品使用性能冷轧辊毛化工艺的最初目的就是控制冷轧板面形貌。

通过实践表明，在喷丸毛化、电火花毛化、激光毛化技术中，激光毛化可以获得完全可控的表面形貌，从而在以下方面达到提高冷轧钢带性能的要求。

(1)改善深冲性能激光毛化板由于有较低的摩擦系数和既有良好的润滑能力又易于收集磨粒的理想微坑，因而具有优良的冲压性能。

在相同成型条件下，具有相同表面粗糙度的薄板中，激光毛化板有最好的冲压流动性。

分析认为：激光毛化板面微坑沟槽中晶粒的位错密度很高，原滑移线不能开动，促使其他晶粒开始滑移，正是板面微坑(塑性变形区)对滑移的这种阻塞和弥散作用，延缓了微裂纹的萌生和发展，从而使板材的延伸率提高。

对同种材料的喷丸毛化板和激光毛化板的力学性能测试表明，激光毛化板的屈服强度降低了6～7%，拉伸强度提高了4～7%，总延伸率提高了6～10%，激光毛化板更有利于冲压成形。

对SPCC比较(北京吉普车厂测试)，激光毛化钢板屈服强度下降2O～30MPa，抗拉强度提高2lMPa，延伸率提高1O％以上；近年来，新一代的干电池外壳逐渐改用薄板冲压而成。

这种壳生产率高、使用效果好，但冲压难度大，对钢板性能的要求苛刻。

采用激光毛化技术开发出电池壳专用激光毛面带钢，其冲压效果良好。

鞍山钢铁公司08F激光毛化精密带钢(厚0.24mm)在电池生产中，产品深径比达到了4.8。

(2)提高涂装性能和鲜映度由于激光毛化加工的精确造形作用，激光毛化板表面粗糙度均匀、很少波度，更利于均匀附着涂覆材料，因此其漆面光亮度明显高于喷丸毛化板。

激光毛化的轧辊表面可保留较大的平坦光亮部份(最大可达60％)，使轧制出的钢板的板面平坦度高，提高了带钢表面的光洁度和涂漆后的鲜映度。

在相同粗糙度和相同涂漆工艺的情况下，激光毛化板的映像清晰度一般要比喷丸毛化板高3～5个百分点。

天津冷轧薄板厂激光毛化板涂镀性能：磷化膜厚差减小5O％，均匀性好，附着力强；电泳底漆膜厚度提高4O％，偏差下降5O％；面漆光亮度DOI值提高2～4个点值。

(3)改善抗摩擦性能用低碳钢板进行的平面拉拔摩擦试验结果表明：无论是在润滑还是在干摩擦条件下，激光毛面钢板的摩擦系数均低于同材质喷丸毛面钢板。